一种气动葫芦的开发与应用.pdf

机械制造 徐 苏杰 一种 气动葫芦的开发与应用 一 种气 动 葫芦 的开发与应用 徐苏杰 南 京今 明机械工程有 限公 司，江苏 南京 2 1 0 0 4 2 摘 要 气动葫芦凭着其强大的性能优 势， 在 工业 生产 中得 到 了广 泛的应 用， 目前很 多发 达 国 家明确 规定 ， 在石 油、 化 工、 汽车、 矿 山等 易燃 易爆场合 ， 必须强制使 用气动葫芦 。分析 了气动 葫芦的工作 原理 、 应 用范围及 其与传统的起 重机 、 电动葫 芦和机械 手相比 的优 越性 ， 并 以谐 波 传动技 术和绿 色技 术在气动 葫芦中的应 用为例 ， 对 气动 葫芦 的应 用技术做 了详 细的研 究。 关键词 气动葫 芦； 应 用技 术 ； 谐 波传 动； 绿 色技术 中图分类号 T H 1 2 文献标志码 B 文章 编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 2 0 4 - 0 0 5 9 -02 Ap pl i c a t i o n a n d De v e l o p m e n t o f Pne um a t i c W i nc h X U S u - j i e N a n j i n g J i n mi n g M a c h i n e r y E n g in e e r i n g L t d ． ，C o ． ， N a n j i n g 2 1 0 0 4 2 ， Ch i n a Abs t r ac t Bec a u s e o f t h e p o werf ul p erf or man c e s u p er i o r it y of t h e pn e uma t i c wi n c h，it i s wide ly a p pli e d i n in du s t r y．At p r es e n t ，it i s f or c e d t o b e u s e d i n pe t ml e u m ，ch e mi c a l i n d u s t ry，au t omo b i l e，mi n i n g an d o t h e r f lammab l e a n d e x p los iv e s i t u a t i o n i n ma ny d e v e l o p ed c o un t r ies ．Th i s p a pe r i n t r o du ce s it s pr i n c iple o f o p emt ion，a p pli c a t i o n s c o p e a n d s up e r ior it y ov e r t r a dit ion a I cr a n e a n d ele c t r i c win c h．I t a l s o t a k e s t h e h a r mon ic d r iv e t e c hn o l o g y a n d g r e e n t e c hn o l o g y a p pli e d in t h e pn e u ma t i c win c h a s ex a mple a n d o ff em a d e- v e l o pin g pm s p e c t f or t h e wi h c h ． Ke y wo r dsp n e umic win ch；ap plic at ion t e c hn o l o g y；h ar mo n i c d r iv i n g；g r e en t ec h n olo g y 0 概 述 气动葫芦是电动葫芦、 手拉葫芦的升级换代产品， 也 是 目前世界上 最理 想 的防爆 起重 装 置 ， 它广 泛应 用 于石 油、 化工 、 煤矿 、 纺织 、 机 械制造 、 仓储 及家 用 电器生 产线 、 汽车制造生产线及船舶修造等各种行业。是企业安全生 产 ， 提高工作效率 ， 降低生产成本的最新一代起重工具。 1 气 动 葫 芦 的 结 构 、 工 作 原 理 及 特点 从能量的转化角度来看， 气动葫芦是一种将压缩空气 的压力能 ， 通过控制气路的作用， 经传动机构转化成机械 能， 输出力矩带动升降机构运行的特殊气动提升机。气动 葫芦可 以分 为环链 气动葫芦 ， 超低 型气动 葫芦 低净 空气 动葫芦 ， 迷你气动葫芦等。以环链气动葫芦为例， 其主 要 由如下 部分构 成。 1 起 吊机构 包括 气动马达 、 行 星减 速器 、 吊挂总成 、 制动器 、 起重链 条、 吊钩 总成 和主控阀 ； 2 行走机 构 由主 动车轮 、 被动 车轮、 墙板 组成 的气动 行走 小车 ； 3 配气 系 统 以 缩空气作 为动力 源 ， 控制气路 操纵葫 芦 的起升 和 行 走。 1 ． 1 气 动葫芦 的工作原理 气动葫芦可实现起 吊重物 的升 、 降运动 和水平 移动 ， 其具体实现过程为 压缩空气经配气系统到达主控阀后分 成两路 ， 一路气依次经 气动葫 芦的气动 马达 、 行星减 速器 作用后传给链轮， 实现起吊重物的升、 降运动， 其工作流程 如图 1 所示 ； 另一路气依次经行走小车气动马达、 行走小 车行 星减 速器 作用 后传 给行 走小车主动车轮 ， 实现起 吊重 物的水平移动。其具体工作流程如图2所示。 压缩 空气 1L l 配 气 系 统 l l l 主 控 阀I J I 气 动 马 达I I 行 星 减 速 器 I l l 链 轮I J l 升 降 运 动l 图 1 气动葫芦实现起 吊重物 的升 、 降运动工作 流程图 作者简 介 徐苏杰 1 9 5 7一 ， 男 ， 江苏宝应人 ， 工程师 ， 主要 从事机 械开发 工作 。 Ma c h i n e B u i l d i n g Au to ma t i o n ， J u n 2 0 1 2， 4 1 4 5 9～6 D ， 6 6 5 9 机械制造 徐 苏杰 一种 气动葫芦的开发与应用 压缩空气 l 配 气 系 统l l 丰 控 阀l 行走 小牛气动马达 行 走 小 亍星减 速器 行走小车主动 车轮 I 水 平 移 动I 图 2 气动葫芦 实现起 吊重 物的水平移动 工作流 程图 1 ． 2 气动葫芦 的优点及应用范 围 a 气动葫芦之所 以称为 电动葫 芦、 手拉葫 芦 的升级 换代产 品， 是因为其与电动葫芦和手拉葫芦相 比具有如下 优点 1 安全性 更 高 气 动葫 芦 以压缩 空 气为 工作 介 质。 工作 时无 火花和触 电， 具有 防火 、 防爆 、 耐 潮湿 、 耐 高温等 优点。对环境适应性强， 在劳动密集型、 粉尘大、 易燃、 易 爆 、 潮湿等恶劣环境下能安全地正常工作。 2 运动更平稳且效率更高 电动葫芦工作状态受电 压波动影响且不易控制 ， 而气动葫芦的工作介质性能柔和 且运行速度 可调 ， 从 而可 以实 现更 平 稳 的运行 状 态 。此 外 ， 气动葫芦的运行速度是 电动葫芦运行速度的 4倍左 右 ， 运动效率更高 。 3 操作与维护更方便 在结构方面 ， 气 动马达不需要 许多部件来防止电火花， 因此结构上更简单、 小巧； 在管路 布线方面 ， 采用 简单 的气管 连接代替 繁琐 的电缆线 ， 且 不 需要专业人员操作； 在维护方面， 气动葫芦的维修不需要 专业技术人员， 普通员工经过简单的培训即可上岗维修。 4 寿命更长 部件加工精度高， 寿命长。另外可以在6 o℃ 以上正常T作 ， 因而适于高温状态下频繁工作 ， 使用寿命长。 b 由于 以上优点 ， 气动葫芦的运用十分广泛 ， 尤其是 在 以下两种 场合 运用 最频 繁。 1 需要频繁吊装、 作业时间短的场合， 如机床上下T 作 、 装配工作 吊装零部件 、 流水线上 的定点工作等 ； 2 要求比较精确定位的场合， 如铸造中的下芯、 合箱 等 ； 对环境要求 比较严 的场合 ， 如化工厂 、 制药厂等需要 安 全 防爆 、 干净 无污染的场合 。 以上两种场合 中工作环境 比较特 殊 ， 一 般 的起重 机 、 电动葫芦或者机械手都是不能满足要求的， 即使使用这些 设备 ， 风险成本也是很高的 。 2 气动葫芦的应用技术 2 ． 1 谐 波齿轮传动技术 气动葫芦具有马达转 速高 ， 要求速 比大 的特 点 ， 一 般 的传动技术无法满足这个特点要求 ， 这就促使了谐波齿轮 传动技术在气动葫芦中的应用。谐波齿轮传动是利用中 问柔性构件 弹性齿轮 在可控的弹性变形下进行运动和 动力传递 的。它主要 由i个基 本构件 组成 ， 如 图 2所 示 谐波发生器 也简称波发 生器 1 、 柔 轮 2和刚 轮 3 。谐波 齿轮传动 的原理就是在柔性齿 轮构件 中 ， 通过谐波发生 器 的作用 产生 变形 ， 并与 刚性齿轮 相啮合 ， 从 而达 到传动 的 目的。 1 一波 发生 器 ； 2 一柔 轮 ； 3 一 刚轮 图 2 谐波传动结构图 实际工作 中 ， 只要任 意固定一 个构 件 ， 即可 实现减 速 传动及增速传动。而且如果将谐波发生器和刚轮设置为 主动 ， 柔轮设置 为从 动 ， 就可设计 一个 差动 机构 。以减 速运动为例 ， 其实 现原理 可概括 为 首先 ， 将谐 波发生器设 为主动 ， 凸轮在柔轮 内转 动 ， 就 迫使柔 轮及薄 壁轴 承发生 变形 ， 当然这个变形要在可控的弹性变形之 内。在变形 的 过程 中 ， 柔轮的齿就会进 入 啮合 或退 出 啮 出 刚轮 的 齿 间 ， 在谐波发生器 的长 轴处处 于完全 啮合 ， 而短 轴方 向 的齿 就处 在完全的脱开 状态。谐波 发生器 在柔轮 内持 续 转动时 ， 柔轮就会产生连续 的弹性变形推动错齿运动 持续 发生 ， 即柔轮齿 的啮入一 啮合一 啮出一脱开 这四种状态循 环往复不断进行 ， 从而将输人 的高 速转 动变为输 出的低速 转动 ， 即实 现减 速器 的功 能。 谐波传动之所 以广泛运用于气动葫芦 中 ， 是 因为其具 有如下优点 1 结构简单，体积小， 质量轻。在传动比相当的情 况下 ， 其零件比普通齿轮少 5 0 ％， 体积和质量均少 1 ／ 3左 右。2 同时啮合的齿数多， 传动的精度高， 齿轮的承载能 力大， 传动比范罔大 ； 3 齿侧间隙可以调整， 运动平稳、 无 冲击且噪声小 ； 4 传动效率高 ， 同轴性好 ； 5 可在 密闭空 间传递运动及动力 、 实现高增 速传 动和差速传动 。 2 ． 2 绿色加工技术 制造业一直是人类社会发展的几大支柱产业之一 ， 制 造业无疑创造 了极为丰富 的物 资财 富 ， 但同时它也消耗 了 大量 的 自然 资源 、 产生 的废弃物对 环境造 成严 重 的破 坏 。 我 国凭着地广 人多 的优势 被誉 为“ 世界 制造 工 厂” ， 其 每 年 为世界创造 了相当可观的物质财富 ， 但这些财 富往 往以 下转 第 6 6页 6 0h t t p ／ l Z Z HD ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z HDc h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 机械制造 任 守华 ， 等 工艺尺寸路径 图及其 应用 3 结论 1 一个零件的全部设计尺寸及其余量与工 序尺寸之 间的关系在工艺尺寸路径图中得以清晰的表达 ， 大大方便 了工序尺寸的分析与计算， 经教学应用 ， 效果反映良好。 2 工艺尺寸路径图能够反映各个要素的加工基准。 因为路径图是有向的， 表示某工序尺寸的有向线段的始端 为该工序尺寸的基准要素， 终端为加工要素。 3 工艺尺寸路径图不但描述了某些要素的加工顺 序 ， 而且能够反映要素 的加工顺序 的关联 度 ， 即它能够 反 映 出哪些要素 的加工顺序是唯一确定 的 ， 哪些要素的加工 在某加工阶段可以任意选择并不影响设计尺寸与余量 ， 工 艺路线确定后 ， 路线图是唯一确定的， 但对于一种路径图， 工序排序可以有多种， 为合理的安排加工工序提供了理论 依据。 4 对加工工艺的改进具有指导性意义。工艺人员根 据安排好的加工工艺画出路径图后， 在图上容易发现既定 的加工工艺存在的问题， 可以方便的对工艺路线进行优 化 ， 而且 能够很 清晰地 看出优化后 的效果 。 参考 文献 [ 1 ]王晓 慧， 等．关 于 工艺 尺 寸式 的研 究 [ J ] ． 农 业 机 械学 报 ， 2 0 0 4， 3 ． [ 2 ]王晓慧． 尺寸设计理论 及应用 [ M] ． 北 京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 4， 8 ． 收稿 日期 2 0 1 11 11 7 上接第 6 O页 牺牲环境为代价 的。面对 日益严峻 的资源 、 环境 与发 展问题 ， 我 国的制 造加 工业 开始 探 寻绿色 可持 续发 展 之 路。因此在气动葫芦的制造使用过程中， 相关决策人员已 经把工作重点从染污物的末端控制和治理转移到污染物 的全程控制 和预 防过 程上 ， 这反应在加工工艺方面就是采 用绿色加工工艺。笔者以气动葫芦动力 阀的重要零部 件一阀体的加工工艺为例进行探讨。 动力阀装置是气动葫芦的关键零部件之一， 其性能的 好 坏直接影响气动葫 芦整机 的工作状 况。而就所 有零部 件的加工技术而言， 因为动力阀体工作表面尺寸精度和位 置精度要求很高、 零件形状复杂、 工艺孔和通气孔较多等 因素， 所以动力阀装置的加工工艺最复杂， 加工的产品除 要满足基本的精度要求外还要进行相关实验对其耐压性、 耐腐蚀性、 密封性和噪声进行检测。传统的动力阀体加工 工艺只考虑加工 时间 ， 加工 品质 Q和加工 成本 C， 而 加 工过程 中报废零件 、 切 削液 、 振 动噪声对 环境造 成 的影 响 都被人 为忽视 了。使用绿色加 工技术后 ， 加工工艺规划另 外追加了环境影响 E和资源消耗 R两项因素。绿色加工 工 艺规划 的显 著特点就 是不管是加 工刀具 的选择 还是加 工材料 的选 择都 利用 数学 建模 来实 现加 工工 艺 最优 化。 该方法的具体实现过程可分为系统模型的建立、 模型求解 和结果分析这三个步骤 。 1 建立模 型 首先， 设本次加工工艺规划中有 n种选择方案 ， 那么 整个规 划 就是 一个 n维 向量 ， 其 向量表达 式为 [ ， ， ， ，⋯， ] ， 选取某种方案时就令该方案的值为 1 ， 否 则为0 ， 且每个方案应包括五个 目标函数， 即时间目标函 数 、 成本 目标 函数 C X 、 品质 目标 函数 Q X 、 环 境 目标 函数 E 和资源消耗 目标 函数 R 。综合分析 这 些 目标 函数 同时考虑零 件工艺 、 加工 能力 、 资源消 耗和 环 境影响等约束条件建立多目标函数模型。 2 模 型求解 66 由于该模型是个多目标函数 ， 且结合了定性与定量分 析 ， 所 以用一般 的数学优 化法无法 求解 ， 而应采 用定性 与 定量相结合的决策分析法一层次分析法。该方法的实质 是决策主体对复杂系统的评价思维过程层次化和数学化。 该方法可 以将复杂问题简单化 ， 它首先将复杂 系统分解 为 若干层次和若干因素， 然后对各个层次和因素进行比较与 计算， 从而为选择最佳方案提供依据。 4 结果分析 结果分析也就是对模型的解进行研究， 从而选择最佳 实现方案 。另外 ， 在方案的实施 过程中还要 根据实际工作 情况发现新问题 ， 并对系统模型进行修正 ， 使系统模型更 符合 实际。 3 总结 随着工业的发展 ， 气 动葫芦凭 着其定 位精 确 、 操 作 简 单 、 安全可靠和实现无 极调速 等性能优 势 ， 在今后 的工业 生产中将得到越来越广泛的应用。此外， 谐波传动技术在 气动葫芦中的应用， 为扩大谐波传动的应用范围， 研制国 产优质气动葫芦取代进 口产品提供了有益的探索依据。 同时绿色技术的引进为气动葫芦走上清洁环保、 高效节能 的可持续发展之路奠定了基础。在今后的研究工作中， 可 以采取更先进 的技术措施 实现气 动葫芦的优 势最大化 。 参考文献 [ 1 ]李万莉 ， 徐锦． 环链 电动葫芦变 频调速 控制 系统的研 究与设 计[ J ] ． 中国工程机械学报 ， 2 0 0 9 ， 0 3 7 3 - 7 6 ． [ 2 ]曹建 民． 遥控 式气 动 自动复 位 阻车器 设计 [ J ] ． 矿 山机 械 ， 2 0 0 8 ， 0 9 9 9 - 1 0 0 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 52 5 h t t p ∥Z Z H D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z HD e h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械 制造与 自动化